من أين أتت الحياة على الأرض؟
العيش على الأرض - من أين نحن؟ لا يوجد نقص في الإصدارات - من العلمية البحتة إلى الأكثر روعة. كانت البشرية تبحث عن إجابة لهذا السؤال منذ آلاف السنين. حاول عالم الفيزياء الحيوية الروسي المعروف فسيفولود تفيرديسلوف الإجابة عن هذا السؤال خلال محاضرة أقيمت في مركز سيريوس التعليمي. وأوضح سبب وجود كائن حي واحد فقط على الأرض ، وما هو مشترك بين قالب الوحل والسكك الحديدية في طوكيو ، وكيفية البحث عن كائنات فضائية. "Lenta.ru" يعطي الأطروحات الرئيسية لخطابه.
ثلاثة أسئلة
في العلم ، بالنسبة للإنسانية المستنيرة ، هناك ثلاثة أسئلة فقط: كيف ظهر الكون ، وكيف نشأت الحياة فيه ، وكيف تعلمت الكائنات الحية التفكير. لفهم مثل هذه الموضوعات العالمية ، عليك التفكير على نطاق واسع ، وليس في إطار أي علم بعينه.
يمكن تفسير العديد من العمليات بمساعدة مفهوم مثل "التنظيم الذاتي لوسائل الإعلام النشطة". يجمع الوسيط النشط بقوة وإعلام بين عمليات غير متجانسة في المكان والزمان. يتم شرح هذه الظواهر التي تبدو مختلفة مثل انتشار النار في حريق السهوب ، وانتشار الشائعات والالتهابات ، والعملات أو اللغات بنفس الطريقة ، إذا أخذناها في الاعتبار من وجهة نظر الفيزياء الحيوية.
الفيزياء الحيوية هي فرع من فروع علم الأحياء يدرس الجوانب الفيزيائية لوجود الطبيعة الحية على جميع مستوياتها ، من الجزيئات والخلايا إلى المحيط الحيوي ككل ، وكذلك علم العمليات الفيزيائية التي تحدث في الأنظمة البيولوجية على مستويات مختلفة من التنظيم وتأثير العوامل الفيزيائية المختلفة على الأشياء البيولوجية. يُطلب من الفيزياء الحيوية الكشف عن الروابط بين الآليات الفيزيائية التي تكمن وراء تنظيم الكائنات الحية والخصائص البيولوجية لنشاط حياتها.
بمعنى آخر ، يمكن اعتبار آليات التنظيم الذاتي في الأنظمة الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والإيكولوجية والاجتماعية من وجهة نظر عامة. من خلال فهم التنظيم الذاتي للوسائط النشطة ، من الممكن إنشاء نماذج تصف عمليات تبدو غير متشابهة مثل تشغيل الليزر ، أو تخثر الدم ، أو التفاعلات الكيميائية ، أو ضربات القلب ، أو ظهور الحلقات السنوية في الشجرة.
حتى أرسطو قال: "من الصحيح في الفلسفة النظر في أوجه التشابه حتى في الأشياء البعيدة عن بعضها البعض". ينطلق العلم الحديث من حقيقة أن هذه العبارة صحيحة ليس فقط بالنسبة للفلسفة.
نحن محليين
كم عدد الكائنات الحية الموجودة على الأرض؟ الأول: المحيط الحيوي. هذا هو الكائن الوحيد الذي يتمتع بالاكتفاء الذاتي ، حيث يوجد تحت قدميه الجدول الدوري ، حيث يسقط الرماد نو من الأعلى ، أي الكوانتا الخفيفة. حسنًا ، يجب أن تؤخذ ظروف الأرض في الاعتبار بالطبع.
ينظم الوسيط النشط ذاتيًا وفقًا لنفس المبادئ ، بغض النظر عن حجمه. كمثال ، ضع في اعتبارك كيف ينتشر العفن اللزج على طول لحاء شجرة البلوط. أبسط كائن حي ، خلية بحجم نصف ملليمتر ، قطعة من المخاط يمكن أن تنمو بشكل كبير بحيث تغطي أمتار من شجرة.
أجرى العلماء تجربة بناءً على الخريطة الجغرافية لطوكيو وضواحيها. حول العفن اللزج ، الذي يقع ، كما كان ، في موقع العاصمة اليابانية ، وضعوا الطعام في تلك الأماكن التي تقع فيها المدن والبلدات المجاورة لطوكيو. بدأ العفن اللزج في التحرك نحو الطعام ، ووضع قنوات له - "الممرات". عندما قارن الباحثون نمط حركة الكائن التجريبي والخريطة الحقيقية لشرايين النقل اليابانية ، تطابقوا. جميع وسائل الإعلام النشطة تنظم نفسها بنفسها ، وتخضع لنفس القوانين.
التنظيم الذاتي هو أساس كل أشكال الحياة على الأرض. في الوقت نفسه ، من المهم أن نأخذ في الاعتبار أن هذا التنظيم الذاتي تحدده بشكل أساسي القوانين الفيزيائية - حتى في علم الأحياء ، على الرغم من اعتياد الناس على تفسير علم الأحياء من خلال المركبات الكيميائية. إذا كنا نتحدث عن الوراثة ، فتذكر الحمض النووي. عندما نتحدث عن أدوات العمل البيولوجية ، فإنها تعني البروتينات والإنزيمات. إذا سمعت عن غشاء الخلية ، فإن الأغشية الدهنية تتبادر إلى الذهن.
نتيجة لذلك ، يبحث حتى علماء الفلك عن مركبات الكربون التي تشبه الأحماض الأمينية عند البحث عن الحياة في الكون. إذا تم العثور على شيء يشبه الأحماض النووية ، فإن الافتراض هو أن أشكال الحياة موجودة هناك. لكن ليس من الواضح على الإطلاق أنه خارج الأرض سيكون هناك نفس الحمض النووي الموجود هنا.
كيف يعمل الانتقاء الطبيعي على الأرض؟ تفضل الطبيعة بعض الأحماض وترفض غيرها ليس لأنها تحبها أو تكرهها. وحتى الأحماض الأمينية نفسها لا يتم اختيارها - تختار الطبيعة مبادئ الكفاءة بين الأشكال الفيزيائية المختلفة: المكاسب الأكثر فاعلية. هذا يعني أنه يجب البحث عن حضارات خارج كوكب الأرض ليس من خلال الحمض النووي الذي يتكون منه البشر ، ولكن من خلال الأشكال المادية لاستهلاك الطاقة.
هذا هو أساس مفهوم كرة دايسون ، الذي طوره عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي فريمان دايسون. بالمناسبة ، استعار الفكرة من كتاب "The Starmaker" لكاتب الخيال العلمي أولاف ستابلدون. كيف اقترح البحث عن ذكاء فضائي؟ من الضروري إنشاء غلاف كروي رفيع في الفضاء بنصف قطر كبير ، يمكن مقارنته بنصف قطر مدارات الكواكب ، مع وجود نجم في المركز. من المفترض أن الحضارة المتقدمة للأجانب يمكنها استخدام الكرة للاستفادة الكاملة من طاقة النجم أو لحل مشكلة مساحة المعيشة. وفقًا لتقلبات الطاقة ، سيتم اكتشاف الأجانب.
حتى الآن ، لم يتم العثور حتى على أكثر المركبات بدائية خارج الأرض ، والتي لا يمكن تصنيعها على كوكبنا. كل شيء موجود في الفضاء أنتجته الأرض نفسها الآن. بمعنى آخر ، لا يوجد دليل على أن الحياة على الأرض جاءت من الخارج. هذا يدحض فرضية البانسبيرميا ، التي تشير إلى أن جرثومة الحياة (على سبيل المثال ، أبواغ الكائنات الحية الدقيقة) قد تم إحضارها إلى كوكبنا من الفضاء ، على سبيل المثال ، عن طريق نيزك.
إذا وصلت خمسة أحماض أمينية على نيزك ، فلا يزال عليك تكوين خلية منها. تخيل أن لديك كمانًا وطبلًا وباسونًا ، لكن مجرد امتلاكك لهذه الآلات الموسيقية لا يعني أن لديك أوركسترا. هذا هو السر الرئيسي لأصل الحياة. لم يحضر أحد هذه الأوركسترا إلينا على الأرض. يتم أيضًا إنتاج جميع المركبات الموجودة في الفضاء على الأرض - بمساعدة البرق والمحفزات الطبيعية.
تجنب التوازن
يمكنك في كثير من الأحيان سماع عبارة "هذا الكائن الحي في حالة توازن مع البيئة." يفسر الفيزيائي هذه العبارة بشكل لا لبس فيه: "هذا الكائن الحي ميت". نحن في الأساس غير متوازنين وبعيدين عن التوازن الديناميكي الحراري ، وإذا تحدثنا عن علاقاتنا بالبيئة ، فنحن في الديناميكا الحرارية وتوازن الطاقة والمواد. يمكن أن تكون علاقات ثابتة أو غير ثابتة ، لكن ليس توازنًا. لا يمكننا تحقيق التوازن إلا في المقبرة.
جوهر الحياة هو تفاعل الاختلافات في الإمكانات الكيميائية والكهربائية والتركيزات وما إلى ذلك. فقط في حالة عدم المساواة وعدم التوازن يمكن أن تحدث عملية كيميائية. من وجهة نظر عالم الفيزياء الحيوية ، فإن حياة الطاقة هي قطع مكافئ. في القاع ، تتوقف الحياة ، بمعنى أنها ليست هناك. تبدأ عمليات التنظيم الذاتي للوسيط النشط عندما ينتهي التوازن ويبتعد النظام عنه.
إذا أخذنا نظامين لهما نفس الجهد الكهربائي - بغض النظر عن حجمه - فلن تكون هناك حركة للشحنات. نحن بحاجة إلى عدم التماثل. هذا هو الشرط الرئيسي لبدء العمليات. الفيزياء تقود العمليات الكيميائية. تم بناء بيولوجيا الأنظمة الحديثة والفيزياء الحيوية على هذا الأساس. والآن أحد أكثر المجالات الواعدة هو العلم ، والذي ، من ناحية ، يشمل الفيزياء الحيوية ، ومن ناحية أخرى ، التآزر.
التآزر ، أو نظرية الأنظمة المعقدة ، هي مجال متعدد التخصصات من العلوم التي تدرس الأنماط العامة للظواهر والعمليات في النظم المعقدة غير المتوازنة (الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والبيئية والاجتماعية ، وغيرها) على أساس المتأصلة فيها. مبادئ التنظيم الذاتي. التآزر هو نهج متعدد التخصصات ، حيث يبدو أن المبادئ التي تحكم عمليات التنظيم الذاتي هي نفسها بغض النظر عن طبيعة الأنظمة ، ويجب أن يكون الجهاز الرياضي المشترك مناسبًا لوصفها.
قال الفيزيائي الفرنسي الشهير ، بيير كوري ، الحائز على جائزة نوبل ، إن الطبيعة مدفوعة بانتهاك التناظر ، والحركة نفسها هي في الأساس تشويه للتماثل ، لأن التناظر ثابت.
يجب ألا يغيب عن الأذهان أن الطبيعة غالبًا لا تطيع ما يسميه الفيزيائيون تقليديًا "القانون". على سبيل المثال ، قانون هوك هو بيان يفيد بأن التشوه الذي يحدث في الجسم المرن يتناسب طرديًا مع القوة المطبقة عليه. لكن هذا القانون لا ينطبق على التشوهات الكبيرة - من المستحيل تمديد الربيع ، على سبيل المثال ، بمقدار 10 كيلومترات. لذلك ، ليس كل قانون من قوانين الفيزياء هو قانون الطبيعة. من الضروري فهم التبعيات الخطية المتناسبة. يتضح هنا أن الأنظمة البعيدة عن التوازن يمكن أن تمر عبر أقسام ناعمة وتندرج في ما يسمى بنقاط التشعب - أي التشعبات.
في كثير من الأحيان (خاصة السياسيين) يقولون إن التنمية يجب أن تتبع مسار التطور وليس مسار الثورة. لكن التطور ، بما في ذلك التطور البيولوجي ، بعد التطور السلس يمر عبر التشعب ، ومن الصعب للغاية التنبؤ بما سيكون عليه الحال بعد اجتياز نقطة التشعب. درجة دقة التنبؤ هي نفسها تقريبًا مثل درجة متنبئي الطقس. احتمال تطابق 100٪ أمر غير محتمل ، لأن حتى الطبيعة نفسها لا تعرف كيف ستتصرف بعد اجتياز نقطة التشعب.
تبسيطًا للغاية ، يمكننا القول أن الحياة على الأرض عبارة عن نظام يتكون من نظامين فرعيين مترافقين - المحيط الحيوي و "الاقتصاد" البشري. كل واحد منهم عبارة عن بيئة نشطة منظمة بشكل هرمي ، ولا يمكن لأي منها أن يوجد بمفرده.
في هذا الاتجاه يتطور علم الأحياء الآن - في البحث عن علاقة بين تدفقات الطاقة للمادة والمعلومات والتنظيم الذاتي المكاني والزماني. على سبيل المثال ، لماذا تسبح الأسماك غالبًا في المدارس الكبيرة؟ وبهذه الطريقة تقلل مقاومة الماء لكل سمكة متحركة. لكن فجأة ظهر سمكة قرش ، وانهار المفصل. إنها وظيفية ، لكنها أيضًا تغيير في التناظر. وإذا نظرت إلى ما حدث من وجهة نظر عالم فيزياء حيوية ، فهذا تشعب.
على وشك اختراق جديد
بحلول بداية القرن العشرين ، بدا أن معظم العلوم الأساسية الكلاسيكية قد اكتملت. تم إجراء الاكتشافات الجغرافية ، ووصف علماء الفلك جميع الأبراج الأقرب وهيكل النظام الشمسي ، واستكشف الجيولوجيون كل شيء ، وتم الانتهاء من الفيزياء والكيمياء ، وتمت كتابة معادلات ماكسويل ، وتم فهم الكهرومغناطيسية ، وتم إتقان الميكانيكا النظرية ، يوجد جدول دوري ، يفهم الناس كيف يتم ترتيب المركبات العضوية. بدا كل شيء وكأنه معروف - لم يكن هناك مكان للذهاب إلى أبعد من ذلك.
وفجأة حدث اختراق: تظهر ميكانيكا الكم ، تظهر نظرية النسبية ، تأتي ميكانيكا الكم إلى الكيمياء وتعطيها دفعة قوية جديدة. بحلول منتصف القرن العشرين ، كان للعلوم الكلاسيكية عدد كبير من الفروع: فيزياء الحالة الصلبة ، فيزياء الجزيئات الكبيرة ، فيزياء الفضاء ، وما إلى ذلك. تنتشر العلوم في عدد كبير من المجالات التطبيقية. كتب فلاديمير إيفانوفيتش فيرنادسكي ، عالم الطبيعة الروسي والسوفيتي الشهير: "إن نمو المعرفة العلمية في القرن العشرين يطمس بسرعة الخطوط الفاصلة بين العلوم الفردية. نحن متخصصون بشكل متزايد ليس في العلوم ، ولكن في المشاكل ".
بفضل هذا ، كان هناك اختراق قوي للحضارة ، واختراق قوي. لكن البشرية ، التي تبتهج ببداية قوية ، أمضت النصف الثاني من القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين متواضعا للغاية. لم تعط مجالات العلوم التطبيقية للعالم أي شيء جديد بشكل أساسي ، فهي تعمل باستمرار على تحديث غلاف الأفكار القديمة. على سبيل المثال ، أصبحت محطات الطاقة النووية أكثر موثوقية ، لكن مبدأ تشغيلها لم يتغير منذ الخمسينيات. أصبحت الأدوات أقل سمكًا ، ونقول إنها أكثر حداثة ، لكن مبادئ تشغيلها تظل كما هي.
من أجل اختراق حضاري جديد ، حان الوقت للتركيز ليس على مجالات العلوم التطبيقية ، ولكن على المجالات الأساسية ، من أجل إعطاء العالم طفرة جديدة ، والتي ستستغلها المجالات التطبيقية بعد ذلك لمدة مائة عام أخرى.
مزيج جديد من العلوم يحدث. بدأت الفيزياء في ربط جناحيها المتطرفين ، بدمج الأفكار حول أصغر وأكبر ، أي الجسيمات الأولية والكون. يشارك العلماء عن كثب في نظرية الانفجار العظيم. نفس العمليات تحدث في علم الأحياء. يعمل الباحثون على توحيد معرفتهم حول (المحيط الحيوي) الكبير والصغير (الجينوم).
بالمناسبة ، عدم القدرة على التدريس لرؤية صورة العالم ككل هو أحد نقاط الضعف في التعليم الحديث: يتلقى التلاميذ والطلاب الكثير من المعلومات المتباينة الموجودة بشكل منفصل في الأذهان ، دون التحول إلى معرفة واحدة . يصف التعبير "التفكير باستخدام القصاصات" هذا الموقف بأفضل طريقة ممكنة.
ماذا سيعطي توحيد العلوم؟ سنكتشف ذلك قريبًا وربما نتفاجأ. صاغ الكاتب الإنجليزي الشهير آرثر كلارك ، أحد من يُطلق عليهم "كبار كتاب الخيال العلمي الثلاثة" والذين لم يقتصر تأثيرهم على الأدب ، "قوانين كلارك" في كتابه "ملامح المستقبل" (1962) ، ويقرأ أولها : "إذا استحق ، يقول العالم الحكيم أن شيئًا ما في العلم ممكن ، فمن المؤكد أنه على حق. إذا قال أن شيئًا ما مستحيل ، فمن شبه المؤكد أنه مخطئ ".
